В цифровом пассивном ссч с потоками многоуровневых импульсов, функциональная схема которого представлена на рис. 7, реализован классический метод прямого цифрового синтеза сигналов.

Рис. 7. Функциональная схема пассивного цифрового синтезаторов частоты с потоками многоуровневых импульсов

Основу ССЧ составляют устройства вычисления фазы и амплитуды. Устройство вычисления фазы построено на основе каскадного соединения 12-разрядных двоичного сумматора и регистра и 8-разрядного коммутатора, позволяющего изменять число используемых уровней квантования фазы (число дискретов фазы) N_ДФ от 2¹=2 до 2⁹=512. Вычисление полной текущей фазы на произвольном n-м шаге с учетом периодичности по 2p можно описать выражением

j_n=2p×n×N_ЧР/N_ОФ,

где N_ЧР – код частоты, хранящийся в частотном регистре и задаваемый кнопками поля «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ», а N_ОФ=512 – количество реализуемых в синтезаторе дискретных значений фазы. Шаг сетки частот синтезатора с учетом частоты ОКГ G f_ОКГ=512 кГц составляет

Df_C=f_ОКГ/N_ОФ=1 кГц.

Частота колебаний на выходе синтезатора определяется по формуле

f_ВЫХ=N_ЧР×Df_C=N_ЧР×f_ОКГ/N_ОФ

и в принципе может варьироваться (в соответствии с теоремой Котельникова) от 1 до 256 кГц с шагом 1 кГц. Значение частоты, определяемое кодом N_ЧР, отображается на индикаторе в поле «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ».

0. Устройство вычисления амплитуды однозначно преобразует вычисленное значение текущей фазы j_n в значение функции A×sin(j_n). Это преобразование выполняется при помощи постоянного запоминающего устройства, в соответствующие ячейки которого записаны 512 отсчетов функции sin(j) c учетом амплитуды А. Преобразование последовательности многоразрядных двоичных чисел в непрерывное напряжение осуществляется при помощи ЦАП, число разрядов преобразования которого может принимать значения от 1 до 8. Следовательно, число дискретных уровней мгновенного значения сигнала при этом может изменяться от 2¹=2 до 2⁸=256.

1. Окончательное формирование гармонического сигнала выполняется в ФНЧ, подавляющем колебания с частотами более 100 кГц. Таким образом, синтезатор позволяет сформировать дискретную сетку частот в диапазоне 1…99 кГц с шагом сетки 1 кГц.

В состав лабораторного стенда включен универсальный мультиметр, предназначенный для измерения периода и частоты формируемых колебаний. Измерение частоты генерируемых колебаний может производиться при различных временах усреднения (накопления) Т_Н, составляющих 1, 10, 100 мс, 1 и 10 с, а измерение периода – при числе периодов накопления N_Н, равном 1, 10, 100 и 1000. Запуск частотомера осуществляется кнопкой «Т».

Наблюдение осциллограмм и спектрограмм осуществляется с помощью двулучевого осциллографа и анализатора спектра, подключаемых к разъемным соединениям выходных каналов. Следует отметить, что лабораторная работа может быть выполнена без использования анализатора спектра.

2.5. Лабораторный стенд «Цифровой синтезатор частоты с фап»

Лабораторный стенд «Цифровой синтезатор частоты с ФАП» УФС05 предназначен для изучения методов построения, принципа работы и основных характеристик цифрового синтезатора частоты с фазовой автоподстройкой. Лабораторный стенд обеспечивает возможность исследования:

• настроечной характеристики ГУН;

• зависимости полосы удержания от коэффициента передачи в петле обратной связи;

• кратковременной и средневременной нестабильности частоты ГУН при замкнутой и разомкнутой петле обратной связи;

• процесса установления колебаний в синтезаторе с ФАП при различных параметрах коэффициента передачи петли обратной связи;

• методов формирования ЧМ-сигналов в тракте синтезатора;

• методов формирования сигналов с частотной и фазовой телеграфией (дискретной модуляцией).

Стенд используется при выполнении лабораторных работ «Исследование цифрового синтезатора частоты с ФАП» и «Исследование частотной модуляции в цифровом синтезаторе частоты с ФАП». Упрощенная схема стенда, приведенная также на его лицевой панели, представлена на рис. 8.

Рис. 8. Функциональная схема цифрового синтезатора частоты с ФАП

ОКГ вырабатывает эталонное периодическое напряжение с частотой f_T=1000 кГц. При помощи делителя частоты ДФКД с фиксированным коэффициентом деления N₁=1000 из него формируется опорное сравниваемое колебание с частотой 1 кГц, поступающее на входы импульсно-фазовых детекторов ИФД1 и ИФД2 систем ФАП. ИФД1 представляет собой детектор типа "выборка-запоминание" и выполнен на стандартном устройстве выборки-хранения. ИФД2 – фазовый детектор на триггере с синхронным запуском и асинхронным сбросом. Тип используемого детектора и, следовательно, тип системы ФАП выбираются нажатием кнопки S «ТИП ИФД».

На второй вход каждого из ИФД поступает второе сравниваемое колебание, формируемое при помощи делителя частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД из рабочего колебания. Коэффициент деления ДПКД N₂ может изменяться от 2000 до 2510 с шагом 1 с помощью переключателя «УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ».

Рабочее колебание генерируется ГУН, охваченным петлей обратной связи системы ФАП. Частота выходных колебаний ГУН может принимать значения в диапазоне 1900…2600 кГц. Дополнительный делитель частоты на два ДЧ2, подключенный к выходу ГУН, обеспечивает форму выходного колебания типа «меандр». Синтезатор, таким образом, позволяет сформировать дискретную сетку частот в диапазоне 1000…1255 кГц с шагом 1 кГц.

Изменение частоты ГУН осуществляется подачей на варикап, включенный в колебательную систему ГУН, управляющего напряжения с выхода ФНЧ. Этот же варикап используется для получения ЧМ с помощью встроенного генератора низкой частоты ГНЧ. ГНЧ обеспечивает плавную регулировку амплитуды от 0 до 1 В потенциометром «УРОВЕНЬ» и дискретное изменение частоты от 50 Гц до 32 кГц переключателем «ГНЧ ЧАСТОТА».

Петлю обратной связи системы ФАП замыкает ФНЧ в виде интегрирующей RС-цепи первого порядка. Полоса пропускания ФНЧ может принимать два дискретных значения (50 или 1000 Гц) в зависимости от состояния переключателя «ПОЛОСА ФНЧ».

Универсальный мультиметр, входящий в состав стенда, предназначен для измерения частоты формируемых колебаний, амплитуды модулирующего сигнала низкой частоты, постоянной составляющей напряжения на выходе ИФД, коэффициента передачи ИФД (К_ФД) в условных единицах и девиации частоты в килогерцах. Измеренные мультиметром данные выводятся на жидкокристаллический дисплей. Запуск мультиметра в режиме частотомера осуществляется кнопкой «Т». Кроме мультиметра имеется встроенный узкополосный измеритель девиации частоты, обеспечивающий измерение девиации на частоте 1100 кГц.

Устройство управления синтезатором позволяет также замыкать и размыкать кольцо ФАП переключателем «ФАП ВКЛ.», плавно изменять коэффициент передачи ИФД регулятором «К_ФД» и выбирать режим работы синтезатора переключателем «РОД РАБОТЫ». Помимо немодулированных колебаний (в позиции «НЕМОД.») возможно формирование сигналов с ЧМ (в позиции «ЧМ»), двухуровневая (в позиции «ЧТ1») и многоуровневая (в позиции «ЧТ2») частотная телеграфия, двухуровневая фазовая телеграфия (в позиции «ФТ1») и фазовая телеграфия с линейным нарастанием и спадом начальной фазы (в позиции «ФТ2»).

Частотная телеграфия осуществляется подачей модулирующей последовательности импульсов на варикап ГУН. При частотной телеграфии девиация частоты составляет ±2 кГц. Фазовая телеграфия осуществляется в фазовом манипуляторе ФМ, на управляющий вход которого подается модулирующая последовательность импульсов с частотой следования 31,25 Гц. Длительности фронта t_ф и спада t_с при фазовой телеграфии с линейным изменением начальной фазы на фронтах импульсов равны и составляют 1 мс. Измерение частоты генерируемых колебаний может производиться при различных значениях времени усреднения (накопления) Т_Н, составляющих 1, 10, 100 мс, 1 и 10 с.

К первому выходному каналу стенда подключен выход фазового манипулятора, позволяющий исследовать на осциллографе временные диаграммы формируемых в различных режимах работы колебаний. Второй выходной канал, подключенный к выходу ИФД, позволяет проводить анализ управляющих напряжений в системе ФАП.